一种适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于磷酸钾镁水泥基材料技术领域，具体涉及一种适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料、制备方法及其应用。该磷酸钾镁水泥基材料通过各个组分的合理配比结合制备方法改善了得到浆体的触变性和凝结速度，同时具有较高的强度，适用于3D打印。适用于3D打印。适用于3D打印。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于磷酸钾镁水泥基材料
，具体涉及一种适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]3D打印建筑技术作为一种极具发展前景的增材智能制造技术，具有施工速度快、成本低、环境友好和支持异形构件定制等优点。磷酸镁水泥是一种新型气硬性胶凝材料，同时具有化学结合陶瓷的属性，快速凝结硬化，具有高的触变性、早期强度、层间粘接强度及体积稳定性等优点，降低三维打印结构件的变形率，兼具早强性能，成为非常有潜力的3D打印胶凝材料。相对于传统的由磷酸二氢铵制备的磷酸胺镁水泥，磷酸钾镁水泥避免了加工过程中释放出气味难闻的氨气的问题。但是仍有很多因素制约磷酸镁水泥在3D打印大规模应用。
[0003]形状保持能力一方面取决于打印层厚度和打印的速度，另一方面取决于浆体的触变性和凝结速度。
[0004]触变性是3D打印材料非常关注的一个指标，目前磷酸钾镁水泥材料仍需要进一步优化，若不具备良好的形状保持能力，难以打印出好的设计外形。
[0005]制约磷酸钾镁水泥第二个关键问题就是凝结速度。目前存在凝结时间过快，缓凝剂增加后早期力学性能损失过大的问题。研究发现，浆体在加水5min内就达到初凝，且初凝即终凝。为了延缓水化，延长可操作时间，体系内必须引入缓凝剂，经研究即使缓凝剂掺量高达15％，浆体的初凝时间也仅为12min，当缓凝剂硼砂掺量达20％，初凝时间仍不超过20min，但抗压强度损失50％以上，无法满足打印时间窗口，也无法发挥磷酸钾镁水泥快硬早强的优势。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供一种磷酸钾镁水泥基材料，该磷酸钾镁水泥基材料改善了浆体的触变性和凝结速度，同时具有较高的强度，适用于3D打印，同时提供了其制备方法及其应用。
[0007]一方面，本专利技术提供一种适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料，按质量份数计，包括以下组分：重烧氧化镁粉60～80份，磷酸二氢钾20～30份，复配缓凝剂5～8份，活性掺合料1～20份，加水量为重烧氧化镁粉、磷酸二氢钾、活性掺和料质量之和的0.12
‑
0.17倍。优选地，所述水为自来水或饮用水。
[0008]本方案进一步改进，所述重烧氧化镁粉制备时煅烧温度为1700℃，煅烧时间为6h，重烧氧化镁粉的粒径为5
‑
80μm。
[0009]本方案进一步改进，重烧氧化镁粉和磷酸二氢钾的质量比为3：1。对于二者质量关系，实验表明随着镁磷质量比增加，当重烧氧化镁粉和磷酸二氢钾的质量比为4：1或者更高
时候，强度会增加，但是凝结时间(可打印的操作时间)会急剧降低，这样为了平衡试件的强度和可打印时间，防止过早硬化阻塞打印系统，经过试验确定最优配比是3:1。
[0010]本方案进一步改进，缓凝剂为硼酸、五水硼酸钠、冰醋酸、蔗糖、三聚磷酸钠中的至少两种混合物。
[0011]本方案进一步改进，活性掺和料为粉煤灰、矿渣粉、硅灰或钢渣粉中的一种或几种。优选的，活性掺和料粒径为1
‑
100μm。
[0012]本方案进一步改进，适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料，按重量分数计，包括以下组分：重烧氧化镁粉63份、磷酸二氢钾21份、五水硼酸钠3份、蔗糖3份、硅灰15份、水14份。
[0013]另一方面，本专利技术提供一种上述磷酸钾镁水泥基材料的制备方法。具体的，将重烧氧化镁粉、磷酸二氢钾、复配缓凝剂和水混合后，加入净浆搅拌机高速搅拌60s，再加入活性掺和料先低速搅拌30s，然后高速搅拌150s，得到高触变性3D打印磷酸钾镁水泥基材料。设置分级转速，防止溅出，一开始加干粉后先慢搅一会，等溶进去了再高速搅拌使其溶解的更充分。
[0014]另一方面，本专利技术提供一种上述磷酸钾镁水泥基材料或者制备方法得到的产物在建筑领域中的应用。
[0015]与常用的三种水泥基3D打印材料普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和白水泥相比，旋转流变仪测试结果发现，磷酸钾镁水泥具有更高的触变性，原因是这种快硬水泥的水化反应较快，颗粒间可以在浆体静止后更快速的形成可逆絮凝结构和颗粒键合，增大了颗粒间的内摩擦力，既能保证浆体在受到剪切作用时，所形成的的絮凝结构更容易被打破，恢复流动性，而当剪切作用停止时，磷酸钾镁水泥又能重新形成絮凝结构，流动性降低，充分保证在第二层材料叠上来前，第一层材料具有一定的承载力。
[0016]本专利技术配方中各组分的选择依据和作用：复配缓凝剂搭配活性掺和料延长凝结时间的原因有两个：一方面掺和料中含有高活性SiO2，在体系中会参与反应生成某种类蛇纹石的水化物，因为SiO2微粉的颗粒极小，有大量的未键合的氧离子暴露在其表面，它们在反应体系中很容易被吸附于MgO颗粒表面水解的Mg
2+
离子上而形成镁氧硅链，不仅提高了试块的强度，并减少了与Mg
2+
结合的OH
‑
基团。每形成一个镁氧硅链即可减少一个水分子，加入SiO2微粉可减弱MgO水化。另一方面，超细的掺和料料填充在水泥颗粒空隙中，增加硬化浆体的致密性，同时掺和料的高火山灰效应参与反应生成的水化产物，同样具有堵塞毛孔的作用，提高早期力学性能。
[0017]本专利技术的有益效果在于：
[0018](1)本专利技术通过各个原料组分的合理搭配，制备出具有高触变性、良好流变性能、良好的可泵送性、可挤出均匀性和良好可建造性能的磷酸钾镁水泥基材料，通过该材料制备的3D打印结构，兼具早强性能，在多层覆盖荷载后也不发生明显变形且干燥后不开裂。
[0019](2)本专利技术通过引入复配缓凝剂结合活性掺和料的使用延长了磷酸钾镁水泥基材料可打印时间窗口，同时材料兼具提高早期力学系能的特性。
[0020](3)本专利技术原材料获取简单、成本低、制作工艺简单，而且能极大改善3D打印试件的可打印性、外表面的平整度和早期强度。
[0021](4)本专利技术可将3D打印磷酸钾镁水泥基材料的塑性粘度控制在13.5Pa
·
s～31.8Pa
·
s范围内，屈服应力控制在60.3Pa～303.4Pa范围内，初凝时间延长至21min～
42min，1d抗压强度大幅度提升高达48.35MPa。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为与常用的三种水泥基3D打印材料普通硅酸盐水泥(OPC)、硫铝酸盐水泥(CSA)和白水泥(WPC)相比，3D打印酸钾镁水泥基材料(MKPC)的高触变特性((a,b)为触变环面积，(c,d)为触变性结构参数)。
[0024]图2为分别采用实施例1(左图)和实施例2(右图)打印的8层中空矩形结构体外观及变形情况。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料，其特征在于：按质量份数计，包括以下组分：重烧氧化镁粉60～80份，磷酸二氢钾20～30份，复配缓凝剂5～8份，活性掺合料1～20份，加水量为重烧氧化镁粉、磷酸二氢钾、活性掺和料质量之和的0.12
‑
0.17倍。2.根据权利要求1所述的适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料，其特征在于：所述重烧氧化镁粉制备时煅烧温度为1700℃，煅烧时间为6h，重烧氧化镁粉的粒径为5
‑
80μm。3.根据权利要求1所述的适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料，其特征在于：重烧氧化镁粉和磷酸二氢钾的质量比为3：1。4.根据权利要求1所述的适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基材料，其特征在于：缓凝剂为硼酸、五水硼酸钠、冰醋酸、蔗糖、三聚磷酸钠中的至少两种混合物。5.根据权利要求1所述的适用于3D打印的磷酸钾镁水泥基...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦令超，赵智慧，黄永波，赵丕琪，李来波，王守德，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：